1. Funktory TTL cz.1

1. Funktory TTL cz.1 Rodzina układów TTL stała się podstawą licznych aplikacji techniki cyfrowej. Obecnie produkowanych jest szereg jej wersji różniących się szybkością, poborem prądu czy przystosowanych do zasilania 3.3V. Niezależnie od wersji mamy identycznie definiowane parametry statyczne i dynamiczne. W ćwiczeniu używamy układów serii LS. Funktory TTL (bramki) scalone układy elektroniczne realizujące funkcje algebry Boole a. Badane będą: - funktor (bramka) z wyjściem aktywnym -funktor (bramka) wyjściem typu otwarty kolektor (Open Collector) -funktor (bramka) z wejściem typu Schmidta (posłużono się tu funktorem z serii HCT - zamienniki rodziny TTL w wersji CMOS) ze względu na większą szerokość strefy histerezy. -funktor z wyjściem trójstanowym prezentowany jest natomiast, ze względów technicznych, jako realizacja w rodzinie układów CMOS. Wyposażenie stanowiska: Przyjęte zostały oznaczenia:! Zadanie laboratoryjne. Opis wykonawczy. model: Funktory TTL, zasilacz 8 15V, oscyloskop typ Rigol DS1052E (pasmo 50MHz), generator/częstościomierz typ Rigol DG1022 (pasmo do 20MHz/sinus, do 5 MHz/prostokąt) multimetry M1/M2, zaciski V/Ω i com są oznaczane w tekście jako i. (MY-64) 1

1.1 Funktory z wyjściem aktywnym Schemat płyty czołowej modelu do badania Funktora TTL z wyjściem aktywnym przedstawia rys. 1.1. 1.1.1 Funkcja logiczna! Określić funkcję logiczną. Użyć oznaczeń 0/1 dla wejść i wyjścia. M1:zakres 20V, do B4 a Ѳ do BM, 1, 3, 4 wyłączone. Zmiany stanów logicznych dokonać za pomocą N1 i N2. a (przełącznik N1) b (przełącznik N2) F (wyjście B4) F (a,b) = 1.1.2 Charakterystyka wejściowa! Na podstawie pomiarów narysować charakterystykę prądowo-napięciową wejścia bramki.! Pomiary przeprowadzić w układzie jak na rys. 1.2. M1: napięcie stałe V =, zakres 20V, do B3, Ѳ do BM. N1 poz. 2. N2 poz. 3. M2: prąd stały A =, zakres 2mA, do B1, Ѳ do B2. 1, 3, 4 wył. Dla kolejnych nastaw P1 odczytać wskazania M1/M2. Pomiarów dokonać zgodnie ze skalą dla U we 0 2,4 V. Regulować potencjometrem P 1 tak, aby U we zmieniało się 0 około 2 V (do momentu aż prąd we zmieni kierunek). Odczytać we dla U we = 0 V 2

Rys. 1.2 Układ do pomiaru charakterystyki wejściowej. Wyniki pomiarów nanieść na wykres (rys. 1.3). C - wel 0,02 [ma] we 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 weh 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 2,0 U we [V] punkty charakterystyczne ( we zmienia kierunek ) Rys. 1.3 Charakterystyka wejściowa bramki. Określić z wykresu kierunki prądów dla napięć nominalnych (typowych) poziomu niskiego i wysokiego (U L =0 V, U H =3,4V). Podać, dla jakiego napięcia wejściowego (U wep ) prąd zmienia kierunek. wel [ma] U wep [V] weh [ma] 0,01* *Poza zakresem pomiarowym, przyjąć najmniejszą możliwą wartość dla zakresu 2mA. Prądy wejściowe w stanie niskim i wysokim określają maksymalne wartości rezystancji polaryzujących (R ph, R pl ). W stanie wysokim wartość ta może być bardzo duża (niepodłączone wejście jest traktowane jako stan H). Oczywiście nie należy zostawiać absolutnie wejść typu wiszącego ze względu na zakłócenia. W modelu wszystkie stany oznaczone jako 1 są dołączone przez rezystancje ~1kΩ do zasilania 5V. Jej wartość nie jest krytyczna gdyż weh jest rzędu mikroamperów. Stały stan niski to podłączenie wejścia do masy. Jeśli występuje rezystancja (R pl ), to jej wartość jest limitowana przez wel (rys. 1.4). 3

"0" logiczne "1" logiczna Rys. 1.4 Układ do określenia wartości R pl.! Określić maksymalną wartość R pl, dla której na wyjściu bramki jest jeszcze stan wysoki. M1: napięcie stałe V=, zakres 20V, do B4, Ѳ do BM. 3 zał., 1, 4 wył., N1 poz. 2, N2 poz. 3. M2: napięcie stałe V=, zakres 20V, do B3, Ө do BM. Zwiększać od zera R pl (P2 od min ), aż do momentu gdy U wy zmieni się od stanu wysokiego ( 1 logiczna) do niskiego ( 0 logiczne). Zanotować wartość U we. Następnie WYŁĄCZYĆ ZASLANE. Dla M2 zmienić zakres na 20kΩ, i zmierzyć rezystancję R pl. U wy [V] U we [V] R pl max [kω] Uzasadnić, z czego wynikają te wartości w odniesieniu do uprzednio narysowanej charakterystyki wejściowej. 1.1.3 Charakterystyka przejściowa Jest to zależność U wy od U we dla funktora w konfiguracji negatora (zwykle zwarte wszystkie wejścia). Z charakterystyką przejściową (nazywaną też statyczną) wiążą się poziomy logiczne dla obu stanów. Na jej podstawie określa się marginesy zakłóceń statycznych, a także wzmocnienie funktora w zakresie przełączania (przejściowym). Zostało to zebrane na rys. 1.5. Poziomy logiczne - logika dodatnia E = + 5 V (napięcie zasilania) C + + U wy U we + - Δ U Z Δ U ZH = 0,4 V (margines zakłóceń statycznychw stanie wysokim) Δ U = 0,4 V (margines zakłóceń statycznych w stanie niskim) ZL E C =+5 V Wartości napięć dla poziomów logicznych : na wyjściu bramki na wejściu bramki E =+5 V C U = 2,4 V wyhmin "1" logiczna Charakterystyka przejściowa Δ U ZH Δ U U = 0,4 V ZL wylmax U wehmin = 2 V U = 1,4 V (próg przełączania T bramki) U welmax = 0,8 V 0 V 0 V "0" logiczne Rys.1.5 Poziomy logiczne i charakterystyka przejściowa bramki w konfiguracji negatora. 4

Producenci układów definiują następujące poziomy napięć: -znamionowe (U L /U H ) -gwarantowane wyjściowe (U wy max /U wy min, odpowiednio dla stanów L/H) -akceptowane wejściowe (U we max /U we min, odpowiednio dla L/H) Różnice pomiędzy poziomami gwarantowanymi a akceptowanym, określają dopuszczalny margines zakłóceń statycznych ( U ZH / U ZL ). Napięcie U Z dodaje się do sygnału, jego obecność to efekt np. chwilowych zmian napięcia zasilania, sprzężeń indukcyjnych i pojemnościowych pomiędzy ścieżkami czy wnikanie zakłóceń od sieci zasilającej (składowe o częstotliwości 50Hz i wyższe harmoniczne: 100Hz, 150Hz, czy nawet 250Hz). Należy zauważyć, że ujemne przyrosty U ZL czy dodatnie U ZH nie stanowią żadnego zagrożenia. Podawane są też marginesy zakłóceń dynamicznych (impulsowych). Są to zwykle zależności U z w funkcji czasu trwania zakłócenia. Przy krótkich czasach progi zakłóceń dynamicznych mogą znacznie przewyższać wartości statyczne z rys. 1.5. Krótki czas w tym przypadku to wartości mniejsze od czasów propagacji funktora. Poziomy gwarantowane i akceptowane obowiązują zawsze, nawet dla najbardziej niekorzystnych warunków pracy (określonych przez producenta). W typowych warunkach funktor na wejściu jest bardziej tolerancyjny tj. wartości U we max /U we min są większe/mniejsze od podawanych katalogowo. Marginesy zakłóceń wzrastają, jeśli charakterystyka przejściowa stałaby się bardziej prostokątna (stroma), a wyrównałyby się (dla stanów L i H) gdy U T zbliża się do 0,5E c (charakterystyka symetryczna) przypadek teoretyczny. Należy zauważyć, że funktor w obszarze przełączania staje się wzmacniaczem o dużym wzmocnieniu k u (małe U we, duże U wy ). Zakresy U we / U wy są różnie definiowane, najczęściej odnosimy je do U wy max /U wy min. Czasem wzmocnienie określane jest na podstawie nachylenia krzywej w punkcie P. m większa wartość k u, tym większe marginesy zakłóceń, a także zwykle krótsze czasy przełączania funktora. Schemat pomiarowy dla charakterystyki przejściowej (statycznej) przedstawia rysunek 1.6. Rys. 1.6 Układ do pomiaru charakterystyki przejściowej.! Na podstawie pomiarów wykreślić charakterystykę przejściową. Należy zwrócić! szczególną uwagę na zakres napięć wejściowych: 1 1,8V (zagęścić pomiary).! Wyznaczyć wzmocnienie bramki w obszarze przełączania (k u ). 5

3, 1, 4 wył., 2 zał. N2 poz. 4, N3 poz. 2, N4 poz. 1, a N1 poz. 2. M1: napięcie stałe V=, zakres 20V, do B6, Ѳ do BM. M2: mierzy U we, napięcie stałe V=, zakres 20V, do B3, Ѳ do BM, zewrzeć B1 z B2 i B4 z B5. Regulując P1 narysować wykres U wy = f(u we ). 5,0 U wy [ma] 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Zaznaczyć U i we U wy w obszarze przejściowym (przełączania) 1,5 1,0 0,5 U wy [V] 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Pomiary przeprowadzić przy braku obciążenia i przy obciążeniu standardowym (symuluje obciążenie 10-ma bramkami 2 zał.).! Określić napięcia wyjściowe dla U we L max i U we H min na wejściu tj. odpowiednio dla 0,8V i 2,0V (stany L/H). U we U wy [V] - bez obciążenia U wy [V] - z obciążeniem (10 bramek) U we L max (U maxl ) U we H min (U minh ) Na podstawie wykresu wyznaczyć wzmocnienia bramki w obszarze przejściowym (dla odcinka prostoliniowego charakterystyki tj. P 1 - P 2 ). ΔU wy [V] ΔU we [V] k u [V/V] bramka nieobciążona obciążenie standardowe (10 bramek) ΔU k u = ΔU wy we 1.1.4 Charakterystyki wyjściowe Podają one zależności prądowo-napięciowe na wyjściu bramki w stanach L i H. W stanie niskim bramka na wyjściu jest odbiornikiem prądu, a w stanie wysokim prąd z bramki wypływa (rys. 1.7). Rys. 1.7 Rozpływ prądów dla bramki w stanie niskim i wysokim. 6

! Wykreślić charakterystyki wyjściowe dla stanu wysokiego i niskiego. Orientacyjny kształt przedstawiają rysunki! 1.8a i 1.9a.! Schematy połączeń odpowiednio na rys. 1.8b i 1.9b. E C = + 5 V (napięcie zasilania) - wyh wyl Rys. 1.8 Charakterystyka wyjściowa dla stanu H (a) i schemat pomiarowy (b). Zamiennie NOR Rys. 1.9 Charakterystyka wyjściowa dla stanu L (a) i schemat pomiarowy (b). Dla stanu wysokiego: Ustawić N1 poz. 3, N2 dowolnie, N3 poz. 3, N4 poz. 1. 1, 3, 4 - wył. M1: zakres 20V, do B6, Ѳ do BM. P4 poz. max. M2: zakres 200mA, przewód pomiędzy zaciskiem ma miernika a B4, przewód wspólny Ѳ do B5. Pomiary rozpocząć zmniejszając nastawy P4, w ich trakcie odczytać m.in. wartości prądów 1 / 2 dla 2,4V i 2,0V. 7

Są to odpowiednio napięcia U wy min U we min, ich różnica (0,4V) określa tzw. margines zakłóceń statycznych w stanie H. Zmierzyć także prąd zwarcia zw dla U wy =0V. Dla stanu niskiego: N1 poz. 1, N2 poz. 3 lub 4, N3 poz. 1, N4 poz. 1. 1, 3, 4 -wył. Ustawić P3 poz. max. M1: zakres 20V, do B6, Ѳ do BM. M2 j.w., jedynie do B5 i Ѳ do B4 tj. odwrócone. Pomiary rozpocząć od P3 max, w ich trakcie odczytać m.in. wartości prądów dla U=0,4V i 0,8V. Są to odpowiednio wartości U wy max U we max. ch różnica (0,4V) określa tzw. margines zakłóceń statycznych w stanie L. Zwarcie wyjścia będącego w stanie L do zasilania +5V może powodować uszkodzenie funktora stąd obecności rezystancji zabezpieczającej (100Ω). Zmierzone wartości prądów umieścić w tabeli. 1 H 2 zw L 3 4 Prądy dla napięć 2,4V oraz 0,4V (tj. 1 / 3 ) umieścić też w tabelce poniżej. Obok wstaw wartości prądów dla stanu H/L z charakterystyki wejściowej. H U wy [V] 2,4 wy H ( 1 ) weh n H = wyh weh L U we [V] 0,4 wy L ( 3 ) wel n L = wyl wel Na podstawie prądów wejściowych i wyjściowych, zgodnie z warunkami podanymi powyżej obliczyć współczynniki przyłączalności wyjściowej n H /n L dla obu stanów. Wartość mniejsza określa n dla funktora. Zauważyć pewny margines bezpieczeństwa w stosunku do podawanego w danych katalogowych n=10. Dla U wy =0,4/2,4V należy określić wartość rezystancji wewnętrznej bramki. H (5-2,4)[V] [A] 1 R H = [Ω] L 0,4[V] [A] 3 R L = [Ω] Należy zauważyć, iż zachodzi R L < R H. 8

1.1.5 Czasy propagacji Funktor nie jest elementem idealnym i w związku z tym zmiana stanu na wyjściu jest opóźniona w stosunku do zmian poziomów wejściowych. Definiuje się czas propagacji t p. Zwykle jest to wartość średnia obu zmian stanów (t phl, t plh ), ponieważ czasy te mogą być rożne (rys. 1.10). Rys. 1.10 Zdefiniowanie czasu propagacji.! Zmierzyć czasy propagacji t phl /t plh bramki dla rożnych warunków. Określając te czasy! odnieść się do poziomu połowy amplitudy napięć (rys. 1.10). Schemat pomiarowy zgodnie z rys. 1.11 Rys. 1.11 Pomiary czasów propagacji bramki. N1 poz. 2, N2 poz. 4, N3 poz. 2. 1, 3, 4 wył. Gen.: Standard TTL: ustawić HiLev: +5 V, LoLev: 0 V, f = 1MHz, wyjście z generatora na G1. Osc.: CH1 G2, CH2 (przez sondę bierną) do G3, zewrzeć B4 z B5, 2 wył. N4 poz. 1. Otrzymane na oscyloskopie przebiegi U we /U wy odpowiednio rozszerzyć i przesunąć używając pokręteł SEC/DV oraz POSTON. Do pomiaru czasu używać funkcji CURSOR. Pionowe wskaźniki ustawić na środkach zboczy U we /U wy odczytać t. 9

Określić czasy propagacji dla wyjścia nieobciążonego, a następnie dołączyć obciążenie standardowe - 2 zał. (10 wejść bramek). Potem zwiększać obciążenie pojemnościowe wyjścia bramki (N4 na 2, 3 i 4). Pojemności montażowe i własne to zawsze rząd 20 30pF. W przypadku większego obciążenia pojemnościowego odpowiedniemu wydłużeniu ulegają czasy propagacji. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli. wy nieobciążone obciążenie 10 obciążenie 10 + 22pF obciążenie 10 + 220pF obciążenie 10 + 2n2pF t phl [ns] t plh [ns] t p (średni) [ns] Należy zauważyć, że decydujący wpływ na czas propagacji ma pojemność obciążająca. W rozdziale 1.1.3 określono wzmocnienie bramki w obszarze przejściowym (k u ). W obszarze tym bramka zachowuje się jak wzmacniacz, co rodzi określone konsekwencje. Utrzymując napięcie U we w tym zakresie można, wskutek jego fluktuacji, otrzymać na wyjściu przypadkowy przebieg zero-jedynkowy. Zjawisko to może wystąpić np. gdy wartości t r+ / t r- są zbyt duże.! Określić maksymalne dopuszczalne wartości t r+ /t r-. Połączyć wyjście generatora WYŁĄCZNE do oscyloskopu (CH1). Ustawić przebieg trójkątny 30Hz w zakresie 0-5V (konieczne skorelowanie nastaw amplitudy i offsetu). Dopiero teraz połączyć: gen. na G1, osc. CH1 do G2, osc. CH2 do G3 (sonda bierna). N1-poz. 2, N2-poz. 4, N3-poz. 2, 1, 3, 4 wył., 2 zał. Przy pomiarach wykorzystać funkcję Run/Stop oscyloskopu. Zmniejszyć częstotliwość aż do 1 Hz sprawdzić czy na wyjściu bramki pojawiają się zakłócenia w trakcie przełączania. Zauważ, że mimo wartości czasu 0,5 s na wyjściu jest przebieg prostokątny. t r+ [µs] t r- [µs] 1.1.6 Pobór prądu zasilania. Prąd zasilania pobierany przez bramkę w stanach L i H (na wyjściu) jest stosunkowo niewielki. Największy pobór prądu następuje w trakcie zmiany stanu bramki. W celu pomiaru prądu w szereg z zasilaniem bramki dołączony jest rezystor 10Ω. Aby pomiar był dokładniejszy, przełączane będą równocześnie wszystkie 4 bramki w układzie (rys. 1.12). 10

Rys. 1.12 Zasada pomiaru prądu zasilania.! Zmierzyć wartości napięcia U p (proporcjonalnego do prądu) dla stanów H, L oraz przy! zmianach stanu (H/L i L/H). 1 zał., co spowoduje, że wszystkie 4 bramki układu scalonego będą sterowane identycznie. Gen: TTL 100kHz, do G1. Osc.: CH1 do G2, CH2 do G4 (sonda bierna), 4 zał., 3 wył. N1 poz. 2, N2 poz. 4, N4 poz. 1,połączone B4 B5, N3 poz. 2, 2 zał. Orientacyjne przebiegi czasowe przedstawiono na rys. 1.13. Elementy do tabeli zmierzyć posługując się poziomymi wskaźnikami (funkcja CURSOR), dolny umieszczając przy strzałce poziomu zerowego, a drugi przesuwając w odpowiednie miejsce. Na podstawie pomiarów wypełnić tabelę. Rys.1.13 Prąd zasilania bramki w funkcji napięcia wyjściowego. U wy U p [mv] c [ma] ¼ c [ma] H L H/L L/H Skomentować otrzymane wyniki. 11